Исследователи из Сибирского федерального университета (СФУ), Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН (ИФ СО РАН) и Южно-китайского технологического университета предложили и обосновали новый дизайн-принцип создания молекулярных сцинтилляторов, превращающих невидимое рентгеновское излучение в видимый свет. На практике это открывает дорогу к созданию более чувствительных и дешевых рентгеновских экранов для диагностики заболеваний, габаритных гибких экранов для досмотра багажа в аэропортах или на таможне, устройств неразрушающего контроля и т.д.
Сцинтилляторами называют приборы, преобразующие невидимое рентгеновское излучение в свет, который можно увидеть или зафиксировать камерой. В качестве перспективных материалов для их создания авторы исследования выбрали металлорганические галогениды серебра — соединения серебра с йодом, бромом или хлором и органикой. Серебро — тяжелый химический элемент, а чем тяжелее атомы в материале, тем эффективнее он поглощает рентгеновские лучи. Серебро отлично справляется с поглощением, что критически важно для чувствительности детектора.
Предложенная научным коллективом технология работы с галогенидами серебра достаточно простая и недорогая. В отличие от традиционных неорганических сцинтилляторов (например, CsI:Tl), для получения которых нужен сильный нагрев, новые комплексы можно синтезировать в растворе при относительно низких температурах. Кроме того, новые «серебряные» сцинтилляторы более стабильны на влажном воздухе, чем неорганические, и самое главное — они обладают особым механизмом свечения.
«Дело в том, что при облучении рентгеновскими лучами электроны в материале переходят в возбужденное состояние. Таких состояний может быть два: синглетное и триплетное. Из синглетного состояния электрон легко отдает энергию в форме видимого света, а вот в триплетном он «заперт». В обычных материалах, особенно органических, электрон не может напрямую превратить свою энергию в свет и просто рассеивает ее в форме тепла. Это огромные потери — ведь триплетных состояний образуется в три раза больше, чем синглетных. Значит, нужен механизм по «удержанию» света», — объяснил один из авторов исследования, доцент базовой кафедры физики твердого тела и нанотехнологий СФУ и старший научный сотрудник лаборатории кристаллофизики ИФ СО РАН Максим Молокеев.
В своем исследовании авторы использовали механизм термоактивированной замедленной флуоресценции. Он позволяет «подхватывать» электроны из триплетных состояний и с помощью тепла (которого при комнатной температуре вполне достаточно) переводить их обратно в синглетное состояние — то есть в форму, способную светиться. В результате энергия, которая в обычных материалах уходила бы «в никуда», тоже невольно превращается в свет. Это позволяет значительно повысить яркость свечения и эффективность преобразования рентгеновского излучения в видимый свет.
Но и у «классических» галогенидов серебра есть свои недостатки. Во-первых, они боятся влаги — активно впитывают воду из воздуха и разрушаются, теряя способность светиться. Во-вторых, склонны к «слипанию» и потере энергии. Также атомы серебра любят сбиваться в «группы» (кластеры). При «слипании» атомов энергия, которую они должны были отдать в виде света, преобразуется в тепло, и материал перестает светиться. Задачей ученых было создать такой материал, который сохранит все плюсы серебра, но будет избавлен от указанных минусов. Проблему решили с помощью правильно подобранных органических молекул.
«Мы спроектировали и синтезировали моноядерные комплексы галогенидов серебра. Спланировали синтез так, чтобы в растворе соотношение ионов серебра и этих органических молекул (лигандов) было строго определенным — ровно таким, чтобы каждый ион серебра успел окружить себя молекулами лиганда и не остался «голым». Лиганд в этой конструкции работает как панцирь. Во-первых, он физически разделяет атомы серебра, не давая им слипаться в те самые «сгустки», которые тушат свечение. Во-вторых, он создает вокруг серебра очень жесткую структуру — лиганд как бы охватывает серебро со всех сторон. В обычных материалах атомы могут легко «дрожать», колебаться, теряя энергию впустую, однако здесь «панцирь» жестко фиксирует атом, подавляя эти потери. Мы называем это «моноядерным» комплексом, потому что в центре находится один изолированный атом серебра, а не их группа. В результате материал светит гораздо ярче и стабильнее», — объяснил Максим Молокеев.
В создании этого «панциря» и состоит главная суть открытия российских и китайских ученых. Им удалось показать: чем жестче зафиксирован атом металла, тем меньше энергии он теряет впустую.
«Мы обнаружили неочевидную вещь: самый легкий галоген (хлор) дал самый яркий результат, хотя обычно ждут, что чем тяжелее атом, тем лучше. Это произошло именно потому, что хлор создал самую жесткую и упорядоченную структуру, которая максимально пресекла потери энергии. Полученный результат весьма универсален. Этот принцип — «создай жесткую клетку для металла и подбери правильный галоген» — можно применять не только к серебру. Металлы с похожим электронным строением (так называемые d10-металлы, например, медь) могут вести себя аналогично. Это как рецепт: если вы будете следовать ему, вы сможете создать эффективный сцинтиллятор из похожих ингредиентов», — резюмировал ученый.
Авторы работы показали, что при создании сцинтилляторов можно обойтись без дорогих и сложных неорганических кристаллов, используя более простые и дешевые органические комплексы. Это открывает новое направление для химиков и материаловедов по всему миру. И, поскольку рентгеновские методы — это сквозные технологии, пронизывающие самые разные отрасли, практическая польза работы широка: от улучшения диагностических процедур рентгенографии в медицине до возможности «просвечивать» детали машин, сварные швы и композитные материалы, чтобы найти внутренние трещины или дефекты, не разбирая их.
Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда.
Пресс-релиз подготовлен на основании материала, предоставленного организацией. Информационное агентство AK&M не несет ответственности за содержание пресс-релиза, правовые и иные последствия его опубликования.
